풍력에너지 하베스팅 장치에 사용되는 압전 필름의 출력 특성에 대한 수치해석

노하은; 이재영

doi:10.3795/KSME-B.2023.47.6.289

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자료유형: 학술저널

저자정보: 노하은 (한동대학교) 이재영 (한동대학교)

저널정보: 대한기계학회 대한기계학회 논문집 B권 대한기계학회논문집 B권 제47권 제6호(통권 제453호)

발행연도: 2023.6

수록면: 289 - 296 (8page)

DOI: 10.3795/KSME-B.2023.47.6.289

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본 연구에서는 블레이드리스 풍력에너지 하베스터에 사용되는 직사각형의 압전 필름의 출력 특성을 알아보기 위한 수치해석을 수행하였다. 블레이드리스 풍력에너지 하베스팅 장치는 바람이 단일 탄성봉에 고정되어 있는 원형 실린더를 지날 때 생기는 vortex shedding frequency와 구조물의 고유진동수가 일치할 때 생기는 공진을 에너지원으로 이용하여 발전하는 원리이다. 발전기의 프로토타입을 설계하기에 앞서 압전 필름 자체의 출력 특성을 확인하기 위해 기계적-전기적 결합 모델을 구축하였다. 해당 모델을 이용하여 풍속 0 - 8 m/sec에서의 vortex shedding frequency 범위(5 - 25 Hz)에 대한 출력 전압 및 전력을 계산하였다. 본 해석을 통해 시스템의 고유진동수가 낮을수록 전압 및 전력 출력이 커지는 것을 확인하였다. 또한, vortex shedding frequency 범위 내의 5, 10, 15, 20, 25 Hz의 고유 진동수를 가진 각각의 프로토타입에 대하여 최대 출력을 가지는 외부 저항을 도출하였다. 계산 결과, 시스템의 고유 진동수가 커질수록 전력 출력이 최대가 되는 최적 부하저항 값이 작아지는 것을 확인하였다. 5개의 고유진동수에 대해 가장 높은 전력 출력을 가지는 시스템은 고유 진동수 5 Hz, 최적 부하저항 5.57 MΩ였으며, 이때 전력출력은 1.97 × 10<SUP>-16</SUP> W이다.

#Wind Energy Harvesting(풍력에너지 하베스팅) #Piezoelectric Material(압전 재료) #Vortex-Induced Vibrations Phenomena(와류유발진동 현상) #Mechanical-Electrical Coupling(기계적-전기적 모델링)

참고문헌 (11)

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Nfaoui, H., 2012, “Wind Energy Potential.” Comprehensive Renewable Energy, Elsevier Ltd., pp. 73~92.

Zhang, L. B., Dai, H. L., Abdelkefi, A. and Wang, L., 2019, “Experimental Investigation of Aerodynamic Energy Harvester with Different Interference Cylinder Cross-sections,” Energy, Vol. 167, pp. 970~981.

Blevins, R. D., 1977, Flow-induced Vibration, Krieger Pub. Co., New York.

Villarreal, D. Y., 2018, VIV Resonant Wind Generators, Vortex Bladeless SL, https://vortexbladeless.com.

Çevik, G., Akşit, M. F. and Şabanoviç, A., 2011, “Piezoelectric Wind Power Harnessing-an Overview,” 10th International Conference on Sustainable Energy Technologies, Istanbul, Turkey.

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